Модель для оценки работоспособности станка

Спроектированный и изготовленный станок должен обладать работоспособ­ностью в принятых условиях эксплуа­тации. Работоспособность любого объ­екта — это такое его состояние, при котором он способен выпол­нять заданные функции, а его пара­метры находятся в пределах, установ­ленных нормативно-технической доку­ментацией. Для металлорежущего станка его основными параметрами являются установленные технические характеристики, и в первую очередь точность и производительность. При этом необходимо, чтобы станок со­хранял высокие начальные параметры качества в течение всего периода ра­боты. При эксплуатации станок под­вергается многочисленным внешним и внутренним воздействиям. Все виды энергии, и в первую очередь меха­ническая и тепловая, действуя на ста­нок и его механизмы, вызывают в нем нежелательные процессы, создают условия для ухудшения его техниче­ских характеристик.

Часть, процессов, происходящих в станке и влияющих на его техни­ческие характеристики, обратима, так как они временно изменяют парамет­ры деталей и всей системы в опре­деленных пределах, без тенденции про­грессивного ухудшения. Наиболее ха­рактерный пример обратимых про­цессов — деформации, происходящие под действием внешних и внутренних сил. Необратимые процессы, например износ, коррозия, приводят к постепен­ному ухудшению технических характе­ристик станка с течением времени.

На изменение показателей качества станка влияет скорость процессов, действующих на его механизмы. По величине скорости протекания эти про­цессы можно разбить на три катего­рии.

Быстропротекающие процессы имеют периодичность изменения, измеряемую долями секунды. Эти процессы закан­чиваются и возникают при обработке каждой следующей детали. К ним от­носятся вибрации, изменения сил тре­ния в подвижных соединениях, коле­бания рабочих нагрузок и другие процессы, влияющие на взаимное поло­жение инструмента и заготовки.

Процессы средней скорости протека­ют во время непрерывной работы ма­шины, их длительность измеряют в минутах или часах. Они приводят к монотонному изменению начальных па­раметров машины. К этим процессам относятся как обратимые (изменения температуры станка и окружающей среды, влажности среды), так и не­обратимые процессы (износ режущего инструмента, который протекает во много раз интенсивнее, чем изнаши­ваются детали и узлы станка).

Медленные процессы протекают во время работы станка между его пе­риодическими осмотрами или ремон­тами. Они длятся дни и месяцы. К таким процессам относятся износ основных механизмов машины, пере­распределение внутренних напряжений в деталях, ползучесть металлов, за­грязнение поверхностей трения, корро­зия, сезонные изменения температуры. Эти процессы также влияют на точ­ность, КПД и другие параметры стан­ка, но изменения их происходят очень медленно.

Рис. 57. Схема потери станком работоспособности по точности обработки в процессе его эксплуатации

Рассмотрим схему потери станком работоспособности при его эксплуата­ции в результате действия указанных ка­тегорий процессов (рис. 57). Пусть X — один из выходных параметров станка, характеризующих его точность — точ­ность (погрешность) установки стола станка в заданное положение, точность осуществления траектории перемеще­ния режущей кромки инструмента и др. Данный параметр должен находиться в пределах допуска 6, установленного техническими требованиями на станок. Станок имеет начальные погрешности изготовления (геометрическая и кине­матическая точность), обладает опре­деленной жесткостью, при этом пара­метр X принимает некоторое значение а₀, которое является статической харак­теристикой качества нового станка по данному параметру. Как только ста­нок начнет работать, быстропротекающие процессы, которые являются случайными, приведут к рассеянию значений параметра X = a₀ Поле рас­сеяния А ₁ может являться результа­том действия различных факторов, например рассеяния от вибраций А _в, и от неточности механизма настрой­ки станка А_н. При вероятностном ме­тоде сложения и, нормальном законе распределения получим

(3)

При дальнейшей работе станка в те­чение некоторого межналадочного пе­риода Т₀ будут действовать процессы средней скорости, в первую очередь тепловые деформации, которые приве­дут к дальнейшему ухудшению началь­ной точности станка. На схеме показано, что параметр X за период Т₀ из­менится на величину а_с. Однако этот процесс является случайным и имеет рассеяние, которое учитывается значе­нием А_с. Поэтому в конце периода Т₀ значение X будет характеризоваться рассеянием относительно координаты X = а₀ + а_с с полем рассеяния:

(4)

За этот период работы состояние станка по параметру X, который ха­рактеризует его работоспособность, бу­дет определяться областью 1, в преде­лах которой будут находиться все зна­чения параметра X. Поскольку Х<δ, станок находится в работоспособном состоянии. Условие работоспособности по параметру X

а₀ + а_с + 0,5 (5)

где Х_таx — наибольшее допустимое значение параметра.

Новый станок должен обладать за­пасом работоспособности, в данном случае по точности, который может характеризоваться либо значением не­израсходованной части допуска δ_т либо коэффициентом

(6)

Коэффициент резерва точности K _т показывает, во сколько раз допусти­мое значение параметра X больше наи­более неблагоприятного из возможных при заданных условиях работы. Запас по параметру необходим потому, что при дальнейшей эксплуатации будет проявляться действие медленно про­текающих процессов, и в первую оче­редь износа. В результате все состав­ляющие, определяющие размеры об­ласти I, будут возрастать. Когда запас по параметру будет израсходован (δ_т = 0 и K _т = 1), наступит предельное состояние станка, после которого он по­теряет свою работоспособность. Время до достижения этого состояния t = Т_р будет ресурсом станка по точно­сти. Изучением процесса потери стан­ком работоспособности, численной оценкой его состояния и методами по­вышения его сопротивляемости различ­ным вредным процессам занимается наука о надежности станков (см. раз­дел 4). Рассмотренная модель для оценки работоспособности станка пока­зывает, какие основные требования должны предъявляться к его парамет­рам: 1) станок должен иметь высокие начальные показатели — геометриче­скую точность, жесткость, прочность; 2) станок должен обладать высокой сопротивляемостью к возникшим процессам, т. е. быть виброустойчи­вым, стойким к тепловым деформа­циям, износостойким.